Re: Re: Odcházející TL431.

[Jan Waclawek]

Ahoj,

Cele to zacina poznanim, ze suciastky odchadzaju v drvivej vacsine pripadov
kvoli prehriatiu a naslednym zmenam v strukture pouzitych materialov. To
je treba poznamenat preto, lebo vacsinou si ludia myslia, ze suciastka
odisla kvoli prerazeniu vysokym napatim, pripadne "odpalenim" vysokym
prudom. To sice moze byt "makroskopicka" pravda - pri tej destrukcii
zrejme tiekli vyssie prudy a mozno im predchadzali aj vyssie napatia - ale
priama pricina destrukcie je takmer vzdy o prechodom elektriny sposobenom
teple a o nim sposobenom zvyseni teploty. 

Ale ako od toho tepla - co je viacmenej stary dobry Ohm, t.j. prud krat
napatie krat cas - dospiet k teplote?

Ak by sme mali nejake (izolovane) teleso, do ktoreho budeme pchat to teplo,
tak sa bude zvysovat jeho teplota (podla jeho hmotnosti a mernej tepelnej
kapacity) donekonecna. Pointa je, ze v realite teleso nie je izolovane a
teplo z neho odteka do okolia. Miera odtoku tepla zavisi od rozdielu
teplot telesa a okolia a tym, ako medzivrstvy medzi telesom a okolim
brania tomu odtekania (to zavisi od materialu tych medzivrstiev). V
okamihu, ked rozdiel teplot je taky, ze odtok tepla sa vyrovna teplu
dodanemu prechodom elektriny, teplota telesa sa uz viac nezvysuje.

Toto je to, co sa uci na skolach, ak sa uci, a je to prve priblizenie, t.j.
staticky (ustaleny) "1D" model. Predstavuje to bodovy zdroj tepla v
relativne tenkych gulovych vrstvach roznych materialov, co nie je az take
uplne zle prve priblizenie realnych elektronickych suciastok. Modelovat sa
da pomocou elektrickej analogie - ekvivalent tepla je naboj, ohmicky
tepelny prikon ma ekvivalent v prudovom zdroji, teplota je napatie
(potencial) a jednotlive gulove vrstvy su ekvivalentne rezistorom. Hodnotu
toho posledneho, t.j.  odpor (tu tepelny) najdes v datasheetoch k
suciastkam, a z nakresleneho obvodu si mozes vypocitat rozdiel teplot
"jadra" suciastky (casto nazyvaneho "priechod" (angl. "junction"), ako by
ta suciastka bola maloplosna dioda a dominantny zdroj tepla spocival v
mieste jeho PN priechodu) a okolia. Pozor, neda sa dospiet k absolutnej
teplote, stale je to len rozdiel, t.j. ak je okolie horucie, "jadro" bude
este horucejsie (toto je sice trivialne, ale treba si to uvedomit).

Problem je v tom, ze tych zjednoduseni je privela. Predovsetkym je v
skutocnosti suciastka aj jej okolie 3D, z roznych materialov rozneho
(neguloveho) tvaru; naviac aj ten zdroj tepla nie je bodovy - miest, kde
sa elektricka energia meni na tepelnu moze byt v jednej suciastke viac.
Toto samo osebe je uz take zozlozitenie problemu, ze vyzaduje pocitacove
modelovanie a oplati sa nim zaoberat len v specialnych pripadoch - napr. u
suciastkarov, alebo u hi-rel moduloch typu zdroje. Nazvime to druhym
priblizenim.

Dvaapolte priblizenie je zozlozitenie kvoli definicii "okolia" - okolo
suciastok su obvykle aj ine suciastky viac ci menej tepelne previazane so
skumanou suciastkou, a existuju aj ine vplyvy z okolia, ktore maju zasadny
vplyv na vnutro suciastky. 

Pre ilustraciu, vezmime si len taky jednoduchy problem, spominanu mierne
vykonovu suciastku v TO92 - prepoklada sa, ze sa ochladzuje okolitym
vzduchom, ktory ma 25st.C a nehybe sa. Do datasheetoveho tepelneho odporu
je zaratany aj odpor vrstvy vzduchu od povrchu suciastky do akehosi
nekonecna, ktore ma tych nominalnych 25st.C. Lenze v skutocnosti ten
vzduch moze byt teplejsi nez 25st.C (co pre vypocet nevadi, o tolko isto
stupne teplota vsetkych prvkov sustavy a aj "jadra"), ale co je
dolezitejsie, moze sa a ak je suciastka naozaj volne v prostredi, aj sa
bude hybat. To dramaticky zmensuje tepelny odpor tej "vzduchovej vrstvy"
(takze ten katalogovy udaj je do znacnej miery "worst case"), co
zachranuje drvivu vacsinu tepelne zle-/vobec nie-navrhovanych zariadeni.
No lenze potom taketo zariadenie, ktore "mne to funguje", nejaky chytrak
uzavrie do krabice, zakryje vetracie otvory, hodi nanho handru, "narastie"
na nom chumac prachu - a je problem na svete. Dalej ta TO-92 ma vyvody,
kovove, cez ktore sa tiez odvadza teplo. Ak dobre viem, tie katalogove
udaje s tymto nerataju (okrem ineho preto, lebo by to bolo tazke - s akou
dlzkou vyvodu ratat? A aky je odvod pripojenej drahy na DPS?), takze aj to
je prispevok k "worst-case"-ovosti katalogoveho udaju, a prispevok k
zachranovaniu. No lenze co ak su tie vyvody velmi kratke a drahy na DPS
horuce od nejakej inej suciastky? To potom budu nie ochladzovat, ale
kurit! Dalsi zaujimavy problem moze byt napriklad nezakrytovane
zariadenie, na ktore prazi slnko. TO92 (ak nie je sovietskej vyroby :-) )
je cierne, t.j. sa jeho povrch ohrieva od pohlteneho svetla. To znova
poposuva pomery, a moze to byt aj vyznamne.

Tretie priblizenie, resp. dalsia komplikacia, su dynamicke deje, t.j. to,
co sa deje pred ustalenim. Ak prudovym impulzom prudko ohrejeme "jadro",
teplo z neho sa neodvedie rovnako, ako pri rovnovaznom stave, pretoze
jednak jednotlive medzivrstvy nie su nekonecne tenke a maju urcitu tepelnu
kapacitu (co sa da modelovat a aj sa modeluje kondenzatormi medzi
jednotlivymi rezistormi reprezentujucimi tepelny odpor jednotlivych
vrstiev), naviac teplo sa vedenim (co je tu dominantny (dufajme)
mechanizmus) prenasa podobnym mechanizmom ako zvuk, t.j. aj rychlost
sirenia je zhruba v tom rade, t.j. desatiny az jednotky mm/us. Znova, toto
je uz domena pocitacovych simulacii, a toto sa uz aj dost zle overuje
meranim, takze toto je domena prave roznych dizertacnych a
vyskumno-vyvojovych prac. Sem niekde spadaju aj ucinky roznych vybojov, ci
uz sposobenych statickym nabijanim ludi a zariadeni alebo bleskami a spol.
Pre bezne pouzitie sa tejto oblasti treba najlepsie vyvarovat bud branenim
sa pulzom uz v ich zdroji t.j. v elektrickej domene, alebo systematickym
predimenzovavanim.

Cela ta problematika je zlozita nie z principu - principy su pomerne
jednoduche - ale kvoli tomu, ze sa jedna o vela faktorov, vplyvov,
materialov, tvarov telies, a ze neexistuje jednoduchy a univerzalny postup
na zjednodusenie, resp. na odhadnutie toho, co sa da zanedbat. V
elektrikarcine je tomu ekvivalent prave to, co sa tiez poklada za
ducharinu - VF technika, EMC a pod. Kym u jednoduchych NF, digitalnych
apod. obvodov sa vychadza zo sustavy zjednoduseni (a aj tak to este dokaze
byt velmi zlozite), u VF prestanu fungovat (napr. uz nefunguje princip ze
"prud sa drzi vo vodici") a zacnu navzajom interagovat predmety a polia,
ktore u NF su jasne oddelitelne.

Pred tym, ako som zacal pisat, som chvilu guglil, a jednak tato stranka je
zaujimava http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_resistance a druhak dole
tam je odkaz na dokument, ktory sa asi oplati pozriet, uz len pre tie
pekne farebne obrazky v nom :-) (ten od Infineonu - na ten druhy od firmy
ktoru zhltol Ixys nefunguje link, a aj ked sa da guglenim najst, neoplati
sa, nie je prilis zaujimavy).

Na zaver este prosba: z didaktickych dovodov bol by som rad, ak by k
horeuvedenemu zaujali stanovisko aj ti, co tomu celemu na rozdiel odo mna
aj naozaj rozumeju. Dakujem.

wek


----- Original Message ---------------
>chcel by som Ta poprosit, ak budes mat trochu casu, mohol by si mi napisat
>nejaky jednoduchy a strucny elaborat na temu ohrev elektronickych suciastok
>pri prechode prudu? Alebo aspon mi dat nejaky odkaz na literaturu, ktora sa
>tomu venuje trochu dokladnejsie a vedeckejsie. Pytam sa kvoli tomu, ze ja
>som profesionalne vygumovany roznymi impulzami a spektrami... Sice si
>pamatam, ze existuje nejaky vykon roznych harmonickych a tusim Parselvalov
>integral... Ale to bolo tak vsetko, co mi na vyske o tom povedali. Ak budes
>mat teda naozaj trochu casu a co to mi napises, tak budem velmi rad.
>